一种低功耗MEMS雾化芯的制作方法

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一种低功耗mems雾化芯
技术领域
1.本实用新型涉及雾化芯领域，特指一种低功耗mems雾化芯。

背景技术：

2.雾化芯作为液体雾化产品的核心部件，对液体进行加热，使其变为雾状气溶胶形态散发出来，雾化元件加热雾化液体时要做到快速、均匀、一致、细腻且尽量减少有害物质产生。
3.现有液体加热雾化芯主要有以下两种类型：包棉雾化芯和多孔陶瓷雾化芯。其中包棉雾化芯中金属发热丝和棉芯直接接触，在高温下，发热丝中的金属成分以及棉芯材料的碎屑可能会被雾化形成的气溶胶携带而被使用者吸入，造成潜在的健康危害。同时，棉芯与金属发热丝非均匀接触，受热不均匀，以及高温碳化也会引起发热丝电阻变化，进而引起发热丝温度变化，使得雾化均匀性、稳定性、一致性较差。而多孔陶瓷雾化芯由多孔陶瓷和发热电极两部分构成。多孔陶瓷经过高温烧结制成碗状结构，发热膜设计成特定形状附着在陶瓷表面，在工作过程中，发热膜通过均匀发热，把液体加热形成雾气，由陶瓷微孔散发。由于微米级蜂窝孔的存在，其雾化出的气溶胶更加细腻。并且通过调整微孔的大小、孔隙率，可以控制陶瓷芯的锁液、储液能力，还可以调节雾化气溶胶的干湿度。
4.如吴任金于2021年6月发布的“改进电子烟多孔陶瓷雾化芯制作工艺的研究”，其中记载了多孔陶瓷、在多孔陶瓷的底部印刷出导热层、再在导热层上刷出两个电极位置、在两个电极之间印刷发热电阻、在两个电极和发热电阻上印刷保护层；虽然在多孔陶瓷和发热组件之间增加了导热层，能提高热传导效率；但存在以下问题：
5.1、由于多孔结构的存在，陶瓷芯锁液能力降低，容易漏液。目前通常通过降低孔隙率，减小多孔数量，提高锁液能力，但是同时降低了其吸液、储液能力；
6.2、陶瓷烧结工艺，不可避免会引入有害物质，危害使用者健康；
7.3、发热电阻下方仅设置有保护层，热量容易向下进行传导，降低发热组件的温度，进而降低了电能转化为热能的效率，增加了雾化芯的功耗。

技术实现要素：

8.本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种低功耗 mems雾化芯。
9.为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种低功耗mems 雾化芯，包含衬底、设置在衬底背面中部的空腔、两个分别贯穿衬底正面和背面且位于空腔两侧的金属过孔、沉积在衬底正面以及两个金属过孔内的二氧化硅薄膜、填充在两个金属过孔内且被二氧化硅薄膜包裹的金属、设置在衬底正面且分别与两个金属连接的第一金属电极和第二金属电极、设置在衬底正面二氧化硅薄膜上且两端分别与第一金属电极和第二金属电极连接的加热电阻丝、覆盖在第一金属电极和第二金属电极以及加热电阻丝上的保护层氮化硅、覆盖在保护层氮化硅上的烟油吸附材料、设置在衬底背面且分别与两个金属连接的第三金属电极和第四金属电极、设置在衬底背面且分别与第三金属电极和第四金属电极通过
导电胶连接的pcb板。
10.优选的，所述衬底的厚度设置为1-100um，以提高该区域的热阻，进而降低热传导，从而提高加热电阻丝的温度。
11.优选的，所述空腔的厚度为5-500um。
12.优选的，所述加热电阻丝呈s型、u型或圆型等形状，且位于衬底正面的中部。
13.优选的，所述加热电阻丝的材料为pt、al、cu中的一种金属。
14.优选的，所述第一金属电极和第二金属电极位于衬底的一条对角线两端。
15.优选的，所述烟油吸附材料通过喷涂、涂覆或沉积等方式覆盖在保护层氮化硅上。
16.优选的，所述烟油吸附材料为石墨烯、pdms(聚合二甲基硅氧烷)、 fe2o3/epdm新型吸油材料中的一种。
17.由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
18.1、本实用新型通过衬底和空腔可减少热量向下的热传导，提高加热电阻丝的温度，进而提高电能转化为热能的效率，在烟油雾化目标温度相同的情况下，显著降低了mems雾化芯的功耗；
19.2、本实用新型由于烟油吸附材料具有高吸油特性，烟油从烟油吸附材料的两端向其中间渗透，引起整个烟油吸附材料均吸附了一定量的电子烟烟油；
20.3、本实用新型通过采用石墨烯、pdms(聚合二甲基硅氧烷)或 fe2o3/epdm等新型的烟油吸附材料，可使得在加热烟油吸附材料，以及雾化其吸附的烟油的过程中，不会产生带有有害金属粉末状颗粒，使用更加安全；
21.4、本实用新型的制备采用半导体工艺和mems工艺，具有低成本、批量化、一致性好等优点。
附图说明
22.下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
23.附图1为本实用新型去除烟油吸附层和保护层氮化硅后的俯视图；
24.附图2为图1中a-a处剖视图；
25.附图3为本实用新型步骤8中对应的结构图；
26.附图4为本实用新型步骤9中对应的结构图；
27.附图5为本实用新型步骤10中对应的结构图；
28.附图6为本实用新型步骤17中对应的结构图；
29.附图7为本实用新型步骤22中对应的结构图；
30.附图8为本实用新型步骤23中对应的结构图。
具体实施方式
31.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
32.附图1-2为本实用新型所述的低功耗mems雾化芯，包含pcb板 (1)、第一金属电极(2-1)、第二金属电极(2-2)、第三金属电极 (2-3)、第四金属电极(2-4)、衬底(3)、二氧化硅薄膜(4)、加热电阻丝(5)、保护层氮化硅(6)和烟油吸附材料(7)、空腔(100)；
33.所述衬底(3)位于mems雾化芯的下半部分，衬底(3)的中央刻蚀了一个空腔(100)，
在衬底(3)的两端设置了两个金属过孔；在衬底(3)表面及金属过孔内沉积了一层二氧化硅薄膜(4)；在衬底 (3)的背面设有第三金属电极(2-3)和第四金属电极(2-4)；衬底 (3)的厚度设置为1-100um，以提高该区域的热阻，进而降低热传导，从而提高加热电阻丝(5)的温度；所述空腔(100)的厚度一般为 5-500um；
34.所述第一金属电极(2-1)和第二金属电极(2-2)位于所述衬底 (3)的一条对角线两侧，并通过金属过孔中填充的金属与第三金属电极(2-3)和第四金属电极(2-4)实现电连接；
35.所述pcb板(1)位于mems雾化芯结构的最底端，pcb板(1)与第三金属电极(2-3)和第四金属电极(2-4)通过导电胶连接，其作用为将不同极性的电信号分别通过第三金属电极(2-3)和第四金属电极(2-4)传输到第一金属电极(2-1)和第二金属电极(2-2)中；
36.所述加热电阻丝(5)位于所述mems雾化芯的中间，呈s型、u型或圆型等形状，加热电阻丝(5)的两端分别与第一金属电极(2-1) 和第二金属电极(2-2)形成电互连，其作用为将电能转化为热能；加热电阻丝(4)的材料可以为pt、al、cu等金属；
37.所述保护层氮化硅(6)覆盖在加热电阻丝(5)、第一金属电极(2-1) 和第二金属电极(2-2)之上；
38.所述烟油吸附材料(7)通过喷涂、涂覆或沉积等方式覆盖在保护层氮化硅(6)上，其材料可以为石墨烯、pdms(聚合二甲基硅氧烷)、 fe2o3/epdm新型吸油材料等；电子烟中烟油与烟油吸附材料(7)的两端相接触，由于烟油吸附材料(7)具有高吸油特性，烟油从烟油吸附材料(7)的两端向其中间渗透，引起整个烟油吸附材料(7)均吸附了一定量的电子烟烟油；
39.工作原理：在第三金属电极(2-3)与第四金属电极(2-4)施加极性相反的电压，经金属过孔传输至第一金属电极(2-1)和第二金属电极(2-2)，再由第一金属电极(2-1)和第二金属电极(2-2) 传输到加热电阻丝(5)，其两端形成电势差，加热电阻丝(5)中有直流电流通过，由于电流热效应，在加热电阻丝(5)中，实现电能
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热能的转换，达到使加热电阻丝(5)温度升高的目的；由于保护层氮化硅(6)很薄，所产生的热量绝大部分经保护层氮化硅(6)传输至保护层氮化硅(6)上方的烟油吸附材料(7)，进而使得烟油吸附材料(7)中吸附的烟油受热，实现电子烟烟油的雾化。
40.附图2-8为本实用新型所述的低功耗mems雾化芯的制备方法，包括以下步骤：
41.步骤1、准备衬底：选取硅片；
42.步骤2、减薄处理：通过采用粒度为800#的砂轮对衬底的粗糙面进行边缘倒角；
43.步骤3、采用粒度为600#的砂轮对衬底的粗糙面进行多次磨削；
44.步骤4、采用混合酸(v()：v(硝酸)：v(水)＝1： 6：3)对衬底进行常温化学腐蚀；
45.步骤5、采用碱性二氧化硅胶体抛光液对衬底磨削面进行抛光，其中二氧化硅粒径约为0.04um，抛光液ph值控制在10.5左右；
46.步骤6、光刻：涂覆光刻胶；
47.步骤7、曝光，显影，去除将要刻蚀空腔的光刻胶；
48.步骤8、刻蚀硅：如图3所示，在需要形成空腔处刻蚀掉厚度为 5-500μm的衬底；
49.步骤9、形成金属过孔：如图4所示，运用drie工艺刻蚀硅衬底，形成两个金属过孔；
50.步骤10、如图5所示，在衬底表面运用热氧化或沉积工艺形成一层二氧化硅薄膜，并要求二氧化硅层覆盖金属过孔；
51.步骤11、光刻：旋涂光刻胶，并进行图形化处理；
52.步骤12、磁控溅射：在第一电极与第二电极处表面溅射黏附层铬，种子层铜；
53.步骤13、旋涂光刻胶，并进行图形化处理；
54.步骤14、在种子层上电镀铜，入口处填满，初步形成第一电极与第二电极；
55.步骤15、去除光刻胶：用丙酮去掉表面掩膜用的光刻胶；
56.步骤16、旋涂光刻胶，并进行图形化处理；
57.步骤17、如图6所示，溅射pt形成加热电阻丝，同时完全形成第一电极与第二电极；
58.步骤18、去除光刻胶：用丙酮去掉表面掩膜用的光刻胶；
59.步骤19、在衬底的空腔一侧的表面旋涂光刻胶，并进行图形化处理；
60.步骤20、金属填充：以孔口处的电镀铜为种子层再次电镀，直至通孔完全填充，并于衬底底面引出第三金属电极和第四金属电极；
61.步骤21、去除光刻胶；
62.步骤22、沉积氮化硅：如图7所示，在衬底背离空腔一侧，用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长保护层氮化硅；
63.步骤23、沉积石墨烯层：如图8所示，使用加热辅助喷涂法沉积一层导热氧化石墨烯；
64.步骤24、将氧化石墨烯浸入氢碘酸溶液进行还原反应；
65.步骤25、用乙醇洗涤数次；
66.步骤26、得到通过还原氧化石墨烯得到的石墨烯层；
67.步骤27、准备一个与第三电极、第四电极对应焊盘的预制pcb 板；
68.步骤28、将第三电极、第四电极与对应焊盘表面涂抹导电胶；
69.步骤29、将第三电极、第四电极与对应焊盘对准，进行黏合装配，如图2所示，得到低功耗mems雾化芯。
70.以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

技术特征：

1.一种低功耗mems雾化芯，其特征在于：包含衬底、设置在衬底背面中部的空腔、两个分别贯穿衬底正面和背面且位于空腔两侧的金属过孔、沉积在衬底正面以及两个金属过孔内的二氧化硅薄膜、填充在两个金属过孔内且被二氧化硅薄膜包裹的金属、设置在衬底正面且分别与两个金属连接的第一金属电极和第二金属电极、设置在衬底正面二氧化硅薄膜上且两端分别与第一金属电极和第二金属电极连接的加热电阻丝、覆盖在第一金属电极和第二金属电极以及加热电阻丝上的保护层氮化硅、覆盖在保护层氮化硅上的烟油吸附材料、设置在衬底背面且分别与两个金属连接的第三金属电极和第四金属电极、设置在衬底背面且分别与第三金属电极和第四金属电极连接的pcb板。2.根据权利要求1所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述衬底的厚度为1-100um。3.根据权利要求2所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述空腔的厚度为5-500um。4.根据权利要求1-3任意一项所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述加热电阻丝呈s型、u型或圆型，且位于衬底正面的中部。5.根据权利要求4所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述加热电阻丝的材料为pt、al、cu中的一种金属。6.根据权利要求5所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述第一金属电极和第二金属电极位于衬底的一条对角线两端。7.根据权利要求6所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述烟油吸附材料通过喷涂、涂覆或沉积方式覆盖在保护层氮化硅上。8.根据权利要求7所述的低功耗mems雾化芯，其特征在于：所述烟油吸附材料为石墨烯、pdms、fe2o3/epdm新型吸油材料中的一种。

技术总结

本实用新型涉及一种低功耗MEMS雾化芯，包含衬底、设置在衬底背面中部的空腔、两个分别贯穿衬底正面和背面且位于空腔两侧的金属过孔、沉积在衬底正面以及两个金属过孔内的二氧化硅薄膜、填充在两个金属过孔内且被二氧化硅薄膜包裹的金属、设置在衬底正面且分别与两个金属连接的加热电阻丝、覆盖在加热电阻丝上的保护层氮化硅、覆盖在保护层氮化硅上的烟油吸附材料、设置在衬底背面且分别与两个金属连接的PCB板；本实用新型通过衬底和空腔可减少热量向下的热传导，提高加热电阻丝的温度，进而提高电能转化为热能的效率，在烟油雾化目标温度相同的情况下，显著降低了MEMS雾化芯的功耗。耗。耗。